Entwicklung eines Sensornetzwerks für den Einsatz in ... - TUHH

Entwicklung eines Sensornetzwerks für den Einsatzin SchiffsmaschinenräumenTimo Schröder # , Tobias Pilsak *1 , Jan Luiken ter Haseborg *2* Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für MesstechnikHarburger Schloßstraße 20, 21079 Hamburg1 Pilsak@tuhh.de2 terHaseborg@tuhh.de# Helmut Schmidt Universität, Institut für elektrische MesstechnikHolstenhofweg 85, 22043 Hamburgt.schroeder@hsu-hh.deAbstract— Dieser Bericht behandelt den Einsatz eines drahtlosenSensornetzwerkes (WSN) im Schiffsmaschinenraum. ImMaschinenraum müssen eine Vielzahl von physikalischenGrößen überwacht werden. Die dafür benötigten Sensorenübertragen ihre Messwerte bislang kabelgebunden. Um eineInstallation von Sensoren an schwer zugänglichen Stellen zuermöglichen, Installationskosten zu senken oder das Nachrüstenvon Sensoren zu vereinfachen, sind drahtlose Sensornetzwerkeinteressant.Im folgendem wird die verwendete Hard- und Softwarevorgestellt. Es folgt eine kurze Beschreibung grundlegenderMultihop Routing Protokolle. Weiter werden die benötigtenEigenschaften eines Routing Protokolls für denSchiffsmaschinenraum erläutert. Das hieraus entwickelteRouting Protokoll wird präsentiert und erste Ergebnisse derErprobung an Board eines modernen Kreuzfahrtschiffesvorgestellt.Keywords: WSN, Routing, TinyOS, nesC, MCFA, DDI. EINLEITUNGAuf modernen Schiffen befinden sich bis zu 15000Sensoren, die einen fehlerfreien Betrieb der Maschinengewährleisten. Die Verkabelung dieser Sensoren ist einwichtiger Kostenfaktor. Um die Kosten für die Verkabelungzu reduzieren ist der Einsatz eines drahtlosenSensornetzwerkes denkbar. Weitere Einsatzgebiete ist dieNachrüstung von Systemen oder das Positionieren vonSensoren an nur schwer zugänglichen Orten, wie z.B. demPod-Antrieb, der sich mehrfach um 360° drehen kann.Um physikalische Messgrößen zu erfassen und drahtlos zuübertragen, wird ein Funkknoten benötigt, der mindestens miteinem Sensor und einem Kommunikationsmodul ausgestattetist. Zur Vergrößerung des abzudeckenden Bereiches werdenMultihop Verbindungen (Verbindung über Zwischen-Funkknoten) verwendet. Um Datenpaket koordiniert durchdas WSN zur Senke zu führen, sind die Paketpfade mittelseines Routing-Algorithmus zu definieren.Abbildung 1: Maschinenraum eines KreuzfahrschiffesII. FUNKKNOTEN UND BETRIEBSSYSTEMIn dieser Arbeit wurde der Funkknoten „IRIS 2.4-GHz“ der Firma Crossbow Technology verwendet [1]. Dieserist mit der Plattform XM2110CA, bestehend aus einemMikrocontroller, Transceiver (IEEE 802.15.4) undFlashspeicher, ausgestattet.Zur direkten drahtlosen Kommunikation wird dasÜbertragungsprotokoll IEEE 802.15.4 [2] für LR-WPAN(Low data Rate- Wireless Personal Area Network) verwendet,um eine spätere Interoperabilität zu gewahrleisten. Es wurdendazu nur die physikalische Schicht und die MAC Schichtverwendet. Die physikalische Schicht des Protokolls stellt 16Kanäle im 2.4-GHz-ISM-Band bereit. Die Datenrate ist 250kBit/s. Als IEEE 802.15.4-2003 kompatiblen Transceiver wirdder AT86RF230 von Atmel verwendet [3].Bei der Messdatenerfassung sind Sensoren für Temperatur,Luftdruck und Feuchtigkeit über ein 51-polige Stecker mitdem Mikrocontroller verbunden. (Abbildung 2)Zur Programmierung des Funkknoten wurde daskomponentenbasierte und ereignisgesteuerte Open-Source-Betriebssystem TinyOS 2.x (TOS) verwendet. DessenVorteile liegen bei der Portierbarkeit auf unterschiedlichenHardwareplattformen und der Bibliothek an vorhandenenBasisfunktionen. Weitere Anwendung findet es imForschungsschwerpunkt SomSed der TUHH [4].99

Ein TinyOS-Programm ist als ein Konstrukt von überSchnittstellen verbundenen Komponenten zu verstehen. Dabeiwird die eigentliche Anwendung und TinyOS zu einemProgramm, welches den Funkknoten betreibt.Programmiert wird im eigens für TinyOS entwickelten C-Dialekt nesC. Das komponentenbasierte nesC definiert durchdie Auflösung des Programmes in einzelne elementareasynchrone und synchrone Abläufe ein Verarbeitungsmodell[5].Abbildung 2: Iris Funkknoten mitSensorboardIII. SZENARIO - INTERFERENZEN IMSCHIFFSMASCHINENRAUMEs wurden Messungen des elektromagnetischen Spektrumsdes ISM-Bands mittels eines Spektrumanalysatorsfrequenzauflösend im „Max-Hold“-Modus an mehrerenPunkten des Maschinenraums auf dem Kreuzfahrtschiffes„Celebrity Solstice“ durchgeführt (Abbildung 3).Für die hier beschriebene Anwendung ist das 2,4-GHz-ISM-Band von besonderer Bedeutung, da dort die Funkknoteninnerhalb eines Kanals ihre Daten übertragen.Es bestand die Aufgabe, ein WSN basierend auf IEEE802.15.4 im Schiffsmaschinenraum einzurichten. Dieses setzthinsichtlich der Veränderung der Topologie keine hohenAnsprüche. Jedoch ist zu erwarten, dass infolge derFrequenzselektivität nicht alle Kanäle die gleiche Qualitätbesitzen.IV. MULTI-HOP ROUTING PROTOKOLLBei der Auswahl der notwendigen Eigenschaften einesWSN im Schiffsmaschinenraum sind mehrere bereitsexistierende Routing-Prokolle anhand ihrer Eigenschaftenanalysiert worden. Dabei haben sich vier Eigenschaften alswichtig herauskristallisiert.a.) Die Anforderungen an eine effiziente Nutzung derSpeicherressourcen, wobei die Anwendung, dasProtokoll und die Treiber der Sensorik sich denSpeicher teilen müssen.b.) Eine energieeffiziente Programmierung, um einelange Lebensdauer der Funkknoten zu gewährleisten.Dazu gehört neben der Hardwareausstattung und derSensorik auch das Routing-Protokoll, welches dasenergieintensive Empfangen und Senden reduziert.c.)Nach der Initialisierung sollte das WSN in der Lagesein mittels Selbstkonfiguration die Pakete überHops zur Senke zu übermitteln.d.) Das Protokoll muss robust gegenüberVeränderungen des Funkkanals sein undÜbertragungsstörungen kompensieren können.A. Prinzipien der Routing-ProtokolleIm Folgenden werden kurz die entschiedenenEigenschaften der ausgewählten Multihop Routing Protokollkurz beschrieben. Es wurden mehr Routing-Protokolleuntersucht, jedoch werden hier nur die wichtigsten kurzbeschrieben.A.A.1 FloodingFlooding beschreibt eine sehr einfache Methode Paketeohne Routingtabelle, bidirektional mittels Multi Hopping zuübertragen. Das Paket wird vom Funkknoten an alle Nachbarngesendet; als Broadcast bezeichnet. Die aktiven Funkknotenleiten dieses ebenfalls per Broadcast an deren Nachbarn weiter.Somit breitet sich das Packet wie eine Flut im gesamten Netzaus und erreicht die Senke.A.A.2 Tabellenbasiertes RoutingJeder Funkknoten im Netz besitzt entsprechend demeigentlichen Protokoll eine oder mehrere Tabellen mitInformationen für das Routing (z.B. ID der Nachbarn,Verbindungsqualität, etc), welche nach der entsprechendenRouting-Metrik geordnet sind. Diese Tabellen beschreiben zurÜbertragung den Pfad eines Paketes zur Senke.A.A.2.1 Minimum Cost Forwarding AlgorithmusEin einfacher unidirektionaler Routing-Algorithmus zurMinimierung des Energieverbrauches bei der Übertragung vonPaketen ist der Minimum Cost Forwarding Algorithm [6](MCFA). Dieses proaktive Verfahren leitet die Pakete entlangdes, bei Initialisierung gefunden, kürzesten Pfades von Quellezur Senke. Jeder Funkknoten speichert dazu Routing-Informationen, z.B. Adresse des nächsten Funkknotens aufdem Pfad zur Senke.Abbildung 3: Elektromagnetisches Spektrum des ISM-Bandes im Maschinenraum100

A.A.2.2Directed DiffusionDer reaktive Routing-Algorithmus Directed Diffusion (DD)Routing [7] beschreibt ein Verfahren zur datenzentrischenÜbertragung. Das bedeutet, dass kein einzelner Funkknoten,sondern eine Gruppe von Funkknoten angesprochen wird. Esentsteht somit eine 1 zu N Beziehung zwischen einer Senkeund N Funkknoten. In den Routing-Tabellen der Funkknotensind passend zum Datentyp die Adresse des nächstenFunkknotens zur Senke eingetragen. Ein beliebigerFunkknoten kann mittels Interessenbekundung als Senke füreinen Datentypen, während des Betriebes fungieren. Falls einEintrag zu einem Zielknoten in der Routingtabelle nichtexistiert, z.B wegen abgelaufener Gültigkeitsdauer oderkeinen empfangenen Interessen-Paket, leitet der Funkknotendas entsprechende Paket an alle Nachbarn weiter.V. GEGENÜBERSTELLUNG DER ROUTING-PROTOKOLLEDas Flooding ist hinsichtlich des überproportional hohenDatenaufkommens zur Übertragung eines Pakets für größereWSN nicht geeignet. Der aufgebaute Baum des MCFA vonRouting-Pfaden ist eine sehr gut geeignet zurPaketübertragung, auch in unzugänglichen Bereichen desSchiffes. Die Idee einer Gruppenbeziehung des DirectedDiffusion Protokolls bei der unidirektionalen Kommunikationzwischen Funkknoten und Senke ist geeignet, um dieKommunikation mittels Differenzierung von Messdaten imSchiffsmaschinenraum effizienter zu gestalten.In der Zielanwendung ist davon auszugehen, dass es einefest installierte Senke gibt, welche für die Daten verarbeitendeEinheit als Gateway fungiert.VI. ENTWICKELTES ROUTING-PROTOKOLLDas im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Routing-Protokoll ist somit eine Kombination aus den Eigenschaftender Routing-Protokolle MCFA und Directed Diffusion.Die Pakete werden entlang eines bei der Initialisierungberechneten Baumes übermittelt, dessen Pfade die kürzestenWege mit der besten Verbindungsqualität zur Senkebeschreiben. Wie bereits in Kapitel III. erwähnt, werden keinesehr großen Veränderungen in der Topologie des WSNerwartet. Um trotzdem auf Veränderungen im Funkkanalreagieren zu können, kann der Baum von der Senke, währenddes Betriebes reinitialisiert werden. Jeder Baum, sieheAbbildung 2, steht für einen Datentyp.Datentyp xDatentyp yVII. TESTUMGEBUNGDer Schiffsmaschinenraum befindet sich in den unterenDecks eines Schiffes. Abbildung 1 zeigt den Maschinenraummit zwei der vier Hauptmaschinen eines Kreuzfahrtschiffes.Um den Ablauf zu kontrollieren, wird eine Vielzahl vonSensoren eingesetzt, die Temperaturen, Drücke, Durchflüsseoder Schalterstellungen überwachen.Diese Sensoren wurden für die Erprobung mit einerSensorplatine nachgebildet, welche zusammen mit dem IRISFunkknoten in Abbildung 2 gezeigt ist. Die Sensorplatineverfügt über einen Feuchtigkeits-, Temperatur- undLuftdrucksensor.Es wurde zur Überprüfung der Funktion des entwickeltenRouting Protokolls und der Funkknoten in der Umgebung desSchiffsmaschinenraums installiert. Die Verbindungsstrukturdes Netzwerkes ist in Abbildung 5 gezeigt. Die Pfeile zeigenden vom System gewählten Baumaufbau. Es ist zu erkennen,dass zwei Funkknoten mittels eines ZwischenknotenVerbindung zur Senke haben. Die Verbindungsstruktur istnatürlich auch von der Verbindungsqualität zwischen denFunkknoten abhängig, wie bereits in VI. erwähnt. Es wurdebeobachtet, dass sich die Verbindungsstruktur über die Zeitleicht verändert. Es bestand beispielsweise nicht in jedemBaum eine Verbindung zwischen Funkknoten 42 und 40.Somit diesem Fall wurden Paket von Funkknoten 42automatisch über die Funkknoten 29 und 40 zur Senke geleitet.Abbildung 5: Verbindungsstruktur des Sensornetzwerkes imSchiffsmaschinenraum (dunkel: Senke, hell: Funkknoten)Jeder Funkknoten misst physikalische Daten, wie zumBeispiel die Temperatur und übermittelt diese Daten durchden Baum zu Senke. Das gezeigte Netzwerk arbeitetewährend einer mehrtägigen Probefahrt. Ein PC speicherte alleSensordaten die er von der Senke erhielt zusammen mit einemZeitstempel und Informationen über den Topologieaufbau.Ein beispielhafter Verlauf der Umgebungstemperatur über dieZeit gemessen ist in Abbildung 5 gezeigt. Eine detailliertereBeschreibung der Messergebnisse ist in [8] zu finden.Abbildung 4: Routing-Pfade verschiedener Datentypen101

Abbildung 5: TemperaturverlaufVIII. ZUSAMMENFASSUNGIn diesem Bericht wurden verschiedene Routing Verfahrenund ein speziell für die Anwendung im Maschinenraumentwickeltes Baum-Routing Protokoll vorgestellt. Dasentwickelte System wurde im Schiffsmaschinenraumerfolgreich getestet.DANKSAGUNGSpezieller Dank gilt der Meyer Werft in Papenburg für diefreundliche Unterstützung [9].REFERENZEN[1] Crossbow Technology, Inc., “IRIS 2.4GHz Datasheet”,www.xbow.com[2] IEEE Std. 802.15.4a-2007: Wireless Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks (WPANs), IEEE Standard for Informationtechnology- Telecommunications and information exchange betweensystems- Local and metropolitan area networks- Specific requirements.[3] ATMEL Corporation, AT86RF230 Datasheet, www.atmel.com[4] S. Georgi, C. Weyer, M. Stemick, C. Renner, F. Hackbarth, U. Pilz, J.Eichmann, T. Pilsak, H. Sauff, L. Torres, K. Dembowski, F. Wagner,„SomSeD: An Interdisciplinary Approach for Developing WirelessSensor Networks”, 7. GI/ITG KuVS Fachgespräch DrahtloseSensornetze, Berlin, 2008[5] Philip Levis, David Gay, “TinyOS Programming”, Book, CambridgeUniversity Press; 1 edition (April 13, 2009)[6] Fan Ye, Alvin Chen, Songwu Lu, Lixia Zhang, “A scalable solution tominimum cost forwarding in large sensor networks”, UCLA ComputerScience Department, Los Angeles, CA 90095-1596[7] Chalermek Intanagonwiwat, Ramesh Govindan, Deborah Estrin“Directed Diffusion: A Scalable and Robust Communication Paradigmfor Sensor Network”[8] “Somsed on Ships”, SomSed Workshops, Hamburg, Germany,unpublished.[9] Meyer Werft in Papenburg, www.meyer-werft.de102